少而好学,如日出之阳;壮而好学,如日中之光;志而好学,如炳烛之光。——刘向

拥塞控制方法

在上一篇文章中，我们介绍了在数据传输过程中出现的问题。本节将简要介绍解决这些问题的方法。笼统来讲，根据网络层是否向运输层提供拥塞信息，我们可以将这些方法分为两类：

1. 端到端拥塞控制：在这类方法中，运输层不能显式的从网络层获取拥塞信息，只能通过丢包，时延增加等迹象来推断发生拥塞。这是TCP协议采用的方法，因为IP协议不会向运输层报告拥塞。如果推断出有拥塞出现，TCP就会使用让窗口减小等方法控制拥塞。
2. 网络辅助的拥塞控制：在这类方法中，网络层构件显式的向发送方主机运输层发送拥塞信息，这类信息可能是一个报文，也可能只是一个比特。路由器向发送方主机运输层发送信息的方式也有两种，可以直接向发送方主机发送报文，也可以先随要发送的数据发送到接收方，再由接收方发送到发送方。

在这里我们先简要介绍第二种方法，即网络辅助的拥塞控制。

ATM ABR拥塞控制

ATM采用面向虚电路（VC）的方法处理分组交换，这需要网络上的每台交换机维护从源到目的地VC的状态。这意味着每台交换机都掌握从整条链路和发送方主机的信息，非常适合用网络辅助的拥塞控制手段。
在ATM ABR中，封装数据的单位被称为信元而非分组。发送方在发送数据信元时，也会夹杂一些资源管理信元（RM信元）用于传递拥塞信息，这些RM信元在经过交换机或被接收方回送时可能会被修改。链路上的交换机也可以发送RM信元给发送方，这也体现了路由器反馈拥塞信息的两种方式。
对于反馈信息的第二种方式，即路由器将信息随数据发送给接收方，再由接收方回送，ABR提供了三种机制：

• EFCI比特：每个数据信元带有一个EFCI比特，如果网络处于拥塞状态，那么交换机将每一个经过的数据信元的EFCI比特置为1。如果接收方发现收到的大量数据信元的EFCI比特都是1，那么它将下一个RM信元的拥塞指示比特（CI比特）置为1并会送给发送方。
• CI比特和NI比特：RM信元中有拥塞指示（CI）比特和无增长（NI）比特。在轻微拥塞时，交换机将NI比特置为1；严重拥塞时，交换机将CI比特置为1。
• ER字段：RM信元中包含一个两字节的显式速率（ER）字段。每经过一个交换机，如果这个字段的值大于该交换机所在链路的可支持速率（比如该交换机处于拥塞状态），那么这个字段的值将被更新为改速率。最终ER字段被设置为从源到目的地的路径上所有交换机的最小可支持速率。

TCP拥塞控制

正如上文所说，TCP使用端到端拥塞控制。为了实现TCP拥塞控制算法，TCP拥塞控制机制在发送方增加一个变量，即拥塞窗口（cwnd），它与接收方的接收窗口（rwnd）共同作用。发送方中未被确认的数据量不能超过这两个值中的较小值：

如果rwnd无限大，这样未被确认的数据量就只受制于cwnd，进而cwnd就可以控制发送速率。粗略的来说，设往返时间为RTT，那么发送速率就是cwnd/RTT字节/秒。TCP中，有几条原则用以控制发送速率：

• 发生丢包时降低TCP发送方的速率。
• 有未确认报文段确认到达，即有报文顺利到达接收方时，增加TCP发送方速率，由于这条原则，TCP被称为自计时的。

TCP拥塞控制算法的实现

算法包括慢启动，拥塞避免，快速恢复三个部分。

慢启动

慢启动的目的是在连接开始时快速找到发送报文的合适速率。开始一段TCP连接时，拥塞窗口长度设为一个TCP报文长度（称为1个MSS），每收到一个新的确认报文，拥塞窗口增加1个MSS，这样可以达到每过一个RTT发送速率（拥塞窗口）翻倍的效果。例如，开始连接时窗口是一个MSS，发送一个TCP报文后等待确认报文，经过一个RTT，它收到确认，增加一个MSS，窗口长度变为2个MSS；然后它可以连续发送两个TCP报文，同理在一个RTT后它将收到两个确认报文，增加两个MSS，窗口长度变为4个MSS。通过这种方式，窗口长度得以指数式增长。
我们可以通过上面的FSM图看到关于慢启动状态转换条件的几种情况：

• 在一开始进入慢启动状态时进行初始化，将拥塞窗口长度设为1个MSS，ssthresh值（称为“慢启动阈值”，当拥塞窗口长度大于该值时转换为拥塞避免状态）设为64KB。dupACKcount值（收到的冗余ACK报文数量，当数量达到3时代表网络可能发生拥塞，转换到快速恢复状态）设为0.
• 收到冗余ACK报文时，dupACKcount值加1.
• 收到新的ACK报文时，拥塞窗口长度加1个MSS，同时TCP协议确认网络不拥塞，重置dupACKcount值。
• 超时时，确认发生拥塞且状况比较严重，将ssthresh值设为当前窗口长度的1/2（即TCP认为比较合适的发送速率），重置其他变量并重新开始慢启动过程。
• 当拥塞窗口长度大于sstresh值时，需要进行谨慎的速率增加，因此切换到拥塞避免状态。
• 冗余ACK报文数量到达3时，协议认为网络处于轻度拥塞状态，将sstresh值置为当前拥塞窗口长度的1/2并将新拥塞窗口长度置为sstresh值加3个MSS，切换到快速恢复状态。

拥塞避免

当TCP协议认为当前发送速率与适宜速率（充分利用链路资源且不会造成拥塞的速率）相近时，协议转换到拥塞避免状态以进行谨慎地速率增加。在这种状态下，每收到一个新确认报文，拥塞窗口长度增加MSS*MSS/cwnd字节，因此每经过一个RTT，拥塞窗口长度增加一个MSS，实现线性增长。
拥塞避免状态的转换条件：

• 收到一个新的确认报文时，按照上文所示增加拥塞窗口长度并将冗余ACK报文段的数量置为0（每次协议认为网络不处于拥塞状态时都会重置dupACKcount值）。
• 收到冗余ACK报文时，增加dupACKcount值
• 冗余ACK报文数量到达3时采取与慢启动相同的策略并切换到快速恢复状态。
• 超时时，重置所有变量，进入慢启动状态。

快速恢复

当协议认为网络处于轻度拥塞状态（协议收到3个冗余ACK报文）时，切换到快速恢复状态。快速恢复状态的状态转换条件：

• 接收到冗余ACK时，协议继续处于快速恢复状态，但为了保证发送速率且尽快切换到别的状态，协议继续增加拥塞窗口长度。
• 发生超时时，协议认为网络拥塞程度加重，重置变量并切换到慢启动模式（注意，除了第一次连接以外sstresh值都重置为cwnd的1/2）。
• 接收到新的ACK报文时，协议认为网络不再拥塞，将cwnd重置为sstresh值并重置dupACKcount值，切换到拥塞避免状态。

总结

由于在实践中，cwnd常处于线性增长阶段，且每次减少都置为1，故TCP拥塞控制算法称为加性增，乘性减。

我是霜_哀，在算法之路上努力前行的一位萌新，感谢你的阅读！如果觉得好的话，可以关注一下，我会在将来带来更多更全面的知识讲解！